BLM VE TEKNOLOJ DE DEVR MLER YARATAN BR OLAY
advertisement
BİLİM VE TEKNOLOJİDE DEVRİMLER YARATAN BİR OLAY: ELEKTRİK- I* Prof. Dr. Kemal İnan Kemal İnan 1964 ve 1966 yıllarında ODTÜ Elektrik Mühendisliği Bölümü'nden sırası ile lisans ve yüksek lisans, 1967 yılında Warwick Üniversitesi'nden otomatik kontrol alanında yüksek lisans ve 1970 yılında Kaliforniya Üniversitesi'nin Berkeley kampusu Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü'nden de doktora derecelerini aldı. 1970-1980 yılları arasında ODTÜ Elektrik Mühendisliği Bölümü'nde öğretim üyeliği yaptı. 1977-80 yılları arasında Elektrik Mühendisleri Odası yayın kurulu üyeliği yaptı. 1980-82 ve 1985-89 yılları arasında Kaliforniya Üniversitesi Berkeley kampusu Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü'nde konuk öğretim üyesi ve araştırmacı olarak çalıştı. 1983-85 yılları arasında SODEP kurucu üyeliği ve merkez karar ve yönetim kurulu üyeliği yaptı. 1989-1997 yılları arasında ODTÜ Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü'nde öğretim üyeliği yaptı. Bu süre içinde ODTÜ Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölüm Başkanlığı, TÜBİTAK EEEAG grup üyeliği ve TÜBİTAK Bilim Kurulu Üyeliği görevlerinde bulundu. 1998 yılından beri Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi'nin kurucu dekanlık görevini sürdürmektedir. Özet Tarih boyunca elektrik ve magnetik olaylara ilişkin yapılan gözlemler ve buluşlar 19. yüzyılda yepyeni bir teknolojinin doğmasına yol açtı. Bu teknolojinin doğmasında elektrik ve magnetizma arasındaki ilişkilerin açığa çıkmasını sağlayacak bir bilgi birikimine erişilmiş olmanın yanısıra kapitalist gelişmenin neden olduğu itici güç de önemli bir rol oynamıştır. 19. yüzyılda daha çok bireysel atılımlar aracılığı ile gerçekleşen bilimsel ve teknolojik buluşlar 20. yüzyılda yerlerini kollektif çabaların ürünü olarak ortaya çıkan birçok etkin ve yaygın bilim ve teknoloji dallarına bırakmıştır. Bu yazıda elektriğin tarihsel gelişimi -19. yüzyıldaki teknolojik patlamaya daha geniş bir yer vererek- sunulmakta ve bilimsel ve teknolojik buluşlara yol açan nesnel nedenlerin üzerinde özellikle durulmaya çalışılmaktadır. Giriş Bilim ve teknoloji yüzyıllar boyunca kimi zaman yavaş kimi zaman hızlı bir biçimde gelişerek bugünkü yerine ulaşmıştır. Bu gelişme süreci içinde 20. yüzyıl, özellikle 20. yüzyılın yaşamakta olduğumuz ikinci yarısı, ayrıcalıklı bir yere sahiptir. Bu ayrıcalık bilim ve teknolojideki çağdaş gelişmelerin, önceki yüzyıllar ile karşılaştırıldığında, en iç içe ve en yaygın bir biçimde yer almasından doğmaktadır. Bu görüşü yeryüzünde yaşamış veya yaşamakta olan tüm bilim adamlarının %90'ının bugün yaşamakta olduğunu söyleyerek kanıtlamak olasıdır. 20. yüzyıla bu özelliği veren nedenleri incelersek kaldırdığımız her taşın altında elektrik diye adlandırdığımız olayın yer aldığını görürüz. 20. yüzyılda üç önemli, teknolojik olarak nitelendirilebilecek gelişmeye tanık oluyoruz: Enerji iletim devrimi, bilgi iletişim devrimi ve bilgi işlem veya bilgisayarlar devrimi. Çağdaş insanın günlük yaşantısına kadar girerek, toplumların kültürlerini derinden etkileyen bu teknolojik devrimlerin üçü de elektrik tarihindeki gelişmeler zincirinin en önemli ve çağdaş halkalarıdır. Elektrik 19. yüzyılın başına kadar önemli bir teknolojik uygulama olanağı sağlayamamış, meraklıların ilgilendiği esrarengiz ve sevimli bir oyuncaktı. 19. yüzyılda yepyeni teknolojik olanakların doğmasına yol açan elektromagnetizma dalındaki bilimsel gelişmeler birdenbire farklı bir ortam oluşturdu. Bilimsel bir geleneği bile olmayan yepyeni bir konu inanılmaz denecek ölçüde geniş uygulama alanları açıyordu. İşte böyle bir ortam içinde başlayan teknolojik gelişmeler hızla ilerleyerek bugünkü teknolojik düzeye erişildi. Bu yazımızda ilkçağlardan beri insanlar tarafından gözlenen elektrik ve magnetik olayların çıplak gözlemlerden bir bilim ve teknoloji dalına dönüşmesinin öyküsünü sunmaya çalışacağız. İlk Gözlemler Yeryüzünde sık rastlanan madenlerden biri "magnetit" adı ile bilinen ve kimyasal kompozisyonu Fe3O4 ile gösterilen bir demir cevheridir. Bu cevher diğer demir cevherlerinden farklı olarak magnetik özelliklere sahiptir. Mıknatıs taşı dediğimiz kendinden mıknatıslı magnetit cevherine doğada sık olmasa da rastlamak mümkündür. İşte insanoğlunun magnetizma üzerindeki ilk gözlemleri de bu mıknatıs taşı dediğimiz cevher aracılığı ile gerçekleşmiştir. İ.Ö. 2637 yılında Çin imparatorlarından Hvang-ti'nin arabasının üzerinde her yöne serbestçe dönebilen bir kadın heykelinin aslılı olduğu ve bu heykelin bir kolunun sürekli olarak, içindeki mıknatıs taşı nedeni ile, güney yönünü gösterdiği tarihçilerce bize aktarılmaktadır. Ünlü Alman doğabilimcisi Alexander von Humboldt (17691859)'dan Çinlilerin İ.Ö. 1100 yıllarında mıknatıs taşları ile mıknatısladıkları madeni iğnelerden pusula yaptıklarını ve Çinli denizcilerin denize açıldıklarında bu tür pusulalardan yararlandıklarını görüyoruz. Eski Çin'i izleyen önemli uygarlıklar Yunan ve onu izleyen Roma uygarlıklarıdır. Eski Yunan'da felsefe okulunun kurucusu ünlü filozof Tales'in elektrik tarihinde önemli bir yeri vardır. Öğretisi sonradan Aristo tarafından kaleme alınan Tales, elektrik ve magnetizmaya ilişkin önemli gözlemlerde bulunmuştur. Kehribarın sürtünme ile ot ve benzeri hafif cisimleri, mıknatıs taşının da demiri çekebilme özelliği olduğu Tales'in bu gözlemleri arasında yer almaktadır. Tales daha da ileri giderek bu iki tür olay arasında ilişki kurmaya çalışmıştır. Ne var ki bilim ve teknoloji tarihinin en önemli patlamalarından birine yol açan elektrik ile magnetizma arasındaki ilişkinin açıklanabilmesi ancak 2400 yıl sonra gerçekleşebilecektir. Elektrik ve mıknatıs (magnet) sözcüklerinin kökeni eski Yunanca'dan gelmektedir. Elektrostatiklenme özelliğine sahip olan kehribarın eski Yunancası elektron (elektron) sözcüğüdür. Mıknatıs (magnet) sözcüğünün de mıknatıs taşlarına oldukça sık rastlanan Batı Anadolu'daki Magnesia (bugünkü Manisa) bölgesinden türediği sanılmaktadır. Elektrik ve magnetizma ile ilgili elimize geçen ilk yazılı belgeler eski Yunan ve Roma uygarlıklarından kalmadır. Kehribarın elektrostatiklenmesine ilişkin ilk belgenin yazarı İ.Ö. 300 yılı dolaylarında yaşamış Teorastus adlı bir Yunanlıdır. "De Nerum Natura" adlı yapıtın yazarı Romalı şair Lükretyüs, bu yapıtında, mıknatıs taşının demir halkaları çekebildiğinden bir bakır kap içine konmuş demir tozunun kabın altındaki mıknatısın kımıldatılması ile gösterdiği hayret verici özelliklerden söz etmektedir. İlk Teknolojik Uygulama: Pusula Ortaçağ, batı uygarlığı için tam anlamı ile yeniliklere kapalı, durağan ve karanlık bir dönem olmuştur. Bilindiği gibi bu dönemde Arap uygarlığı sürekli bir gelişme göstermiş ve batı uygarlığına düşün ve teknoloji alanlarında önemli katkılarda bulunmuştur. Bu katkılar arasında en önemlilerinden biri, batı uygarlığının ortaçağdaki ekonomik dengesini altüst ederek yeniden doğuş (Rönesans) çağına geçmede en belirgin rolü oynayan, deniz ticaretinin gelişmesine yol açan pusuladır. Pusulanın ilk bulunuş tarihine ilişkin elde kesin bir belge olmamakla beraber, bu buluşun Avrupa'ya, İtalyanlar aracılığı ile Arap uygarlığından geçmiş olduğu çoğu tarihçilerin üzerinde birleştikleri bir görüştür. İtalyan tarihçi Blondus'a göre İtalyanlar 13. yüzyılda denizcilikte mıknatıslı pusula kullanmaktaydılar. Ünlü İngiliz bilim adamlarından Roger Bacon'un öğrencisi Petrus Peregrinus (1240?-?) Fransız ordusunda görevli bir mühendis olarak katıldığı (Güney İtalya'daki ) Luçera kuşatması (1269) sırasında, yüzen pusula ve çelik iğneli pusula üzerinde yaptığı deneyleri bir arkadaşına yazdığı mektupta ayrıntılı bir biçimde yer vermiştir. Pusulanın o zamanın en önemli teknolojik ögelerinden biri oluşu magnetizma üzerindeki ilgiyi arttırmış bu konu üzerinde birçok kişinin çalışmasına yol açmıştı. Bu önemli alanda yayımlanan ilk önemli yapıtın yazarı bir İngiliz tıp doktoru olan William Gilbert (1544-1603)'dir. 1601 yılında saraya İngiltere Kraliçesi 1. Elizabeth'in doktoru olarak atanan Gilbert, "De Magnete" (Mıknatıslara Dair) adlı kitabını 1600 yılında yayımladı. Gilbert'in bu kitabındaki en önemli katkısı dünyanın küresel bir mıknatıs olduğu ve pusula göstergesinin, daha önce Peregrinus'un sandığı gibi cenneti değil, dünyanın magnetik kutbunu gösterdiğini ortaya koymuş olmasıdır. Pusula göstergesinin kuzey-güney doğrultusu yanısıra düşey yönde de sapma gösterdiğini ilk kez ortaya atan Gilbert olmuştur. Durağan Elektrik Üreten Makinalar Gilbert'i izleyen ilk önemli aşama Magdeburg kentinin belediye başkanı Otto von Guericke (1602-1686)'nin 1660 yılında yaptığı elektrik makinasıdır. Bilim tarhinde daha çok ilk vakum pompasını yapmış olması ile bilinen von Guericke'nin elektrik makinası kayışlı bir makara düzeneği ile döndürülen kükürt bir küreden oluşmaktaydı. Dönen kükürt topa çeşitli cisimlerin sürtülmesi ile o zamana göre büyük ölçülerde durağan elektrik üretilebilmekteydi. Guericke'nin makinası çok kısa bir süre içinde büyük bir üne kavuştu. Avrupa'nın birçok kentinde bu makinaların benzerleri yapıldı ve durağan elektrikli cisimlerin tüy ve benzeri hafif cisimleri çekmesi ve elektriğin yol açtığı çatırtılar ve kıvılcımlar gözlendi. Ünlü bilim adamı Isaac Newton'un da durağan elektrik üreten makinalarla ilgilendiği ve 1629 yılında camdan bir küreyi elektriklendiren bir makinanın yapımı ile bizzat ilgilendiği bilinmektedir. Elektrik İletimi Üzerinde İlk Deneyler Elektriğin iletilebileceğini kanıtlayan ilk deneyler Stephen Gray (1696-1736) adlı bir İngiliz tarafından yapılmıştır. Elektriklendirilmiş bir şişede elektriğin, şişenin mantar kapağına da geçtiğini gören Gray bu gözleminden kalkarak ipek, cam, metal, çubuk ve benzeri cisimleri ardarda iliştirip elektriğin bu cisimler aracılığı ile iletilebileceğini kanıtladı. 1729 yılında bir arkadaşı ile yaptığı bir deneyde elektriği ardarda bağlı çeşitli cisimler aracılığı ile 255 metrelik bir uzaklığa kadar iletebilmeyi başardı. Çalışmalarından elde ettiği bilgiler ile çeşitli maddeleri iletken ve yalıtkan olarak ilk kez sınıflandıran Stephen Gray olmuştur. Fransa Kralı'nın bahçeler genel müdürü görevinde çalışan Charles Dufay (1698-1739) işi gereği boş zamana sahipti. Bu boş zamanını Gray'in başlattığı deneyleri sürdürmek amacı ile kullanan Dufay elektriklendirilmiş cisimlerin bazen birbirlerini ittiğini bazen de çektiğini gözledi. Eğer mantarlar, ikisi de cam çubuk ile elektriklendirilirse birbirlerini itiyorlardı. Bu gözlemleri üzerine Dufay iki tür elektriğin varlığını ortaya attı. Bu iki tür elektriği "camsal" (vitreous) ve "çamsal" (resinous)** olarak adlandırdı. İtme ve çekme olaylarını daha sonra artı ve eksi elektrik ile açıklayan Benjamin Franklin olmuştur. Leyden Şişesi Elektrik tarihinde adı geçen aygıtlardan biri Leyden şişesidir. 18. yüzyılın en gözde buluşlarından biri olan Leyden şişesinin mucidi Alman deneycisi E.G. von Kleist olmakla beraber, aynı buluşu bir yıl sonra, yani 1746 yılında Kleist'dan bağımsız olarak Leyden (Hollanda'nın bir kenti) Üniversitesi profesörlerinden Peter von Muschenbrock'un da yapması ile buluş tarihine Leyden şişesi olarak geçmiştir. Leyden şişesi içine metal bir çubuk batırılmış, yarısına kadar su veya cıva gibi bir sıvı ile dolu bir cam şişeden oluşmaktadır. Dielektrik ortamını cam şişenin oluşturduğu bu tarihteki ilk bilinçli olarak yapılmış sığaç, elektriğin depolanarak çeşitli deneylerde bir kaynak olarak kullanılabilmesini sağlamaktaydı. Leyden şişesi de kısa bir sürede aynen von Guericke'nin elektrik makinası gibi Avrupa'da günün konusu haline geldi. Şişedeki metal çubuğa el değdirilerek çarpılma olayı sarayların eğlence konusunu ve meydanlarda gösteri yapan birçok açıkgözün geçim kaynağını oluşturdu. Leyden şişeleri kimyasal doğru akım bataryasının bulunuşuna dek her türlü elektriksel deneyde gerilim kaynağı olarak kullanıldı. Ümitsiz Bir Deney: Elektriğin Hızı Leyden şişesinin bulunuşunu izleyen yıllarda elektriğin iletimine ilişkin deneyler arttı. Örneğin Fransa'da yapılan bir deneyde Leyden şişesindeki elektrik 4 km uzaklığa iletilebilmişti. Elektriğin iletilebilmesi insanlarda doğal olarak iletim hızının ne olduğu sorusuna yol açtı. Fransa ve İngiltere'de elektriğin hızını ölçmek için deneyler yapıldı. 1748 yılında İngiltere'de, gidiş hattını kurutulmuş dallar arasında geçirilen bir tel ve dönüş hattını toprağın oluşturduğu 4 km uzunluğundaki bir devrede Leyden şişesinden boşaltılan elektriğin hızını ölçebilmek amacı ile yapılan deneyde, iletimin anında yer aldığı dışında bir sonuca varılamadı. Atmosfer Elektriği ve Benjamin Franklin 18. yüzyılın ilginç isimlerinden olan Benjamin Franklin (1706-1790) zamanının bir matbaacısı, yazarı, politikacısı, diplomatı ve bilim adamıydı. Formel olarak ancak iki yıllık bir eğitimden geçmiş olan Franklin ilk deneylerine Leyden şişesi ile oynayarak başladı. Leyden şişesinden boşalan elektriğin oluşturduğu çatırtı ve kıvılcım ile fırtınalı havalardaki gökgürültüsü ve şimşek çakması arasında bir ilişki olması gerektiğini düşünen Franklin 1752 yılında fırtınalı bir havada uçurduğu bir uçurtma ile bir Leyden şişesini yüklemeyi başrdı. Burada Franklin'in talihli bir bilim adamı olduğunu söylemeden geçemeyeceğiz. Çünkü kendisinden sonra aynı deneyi yapmak isteyen iki meraklı bir anda Leyden şişesi durumuna düşmüşler ve elektriğe çarpılarak ölmüşlerdir. Franklin, yaptığı bu deneyi kısa bir süre içinde pratik uygulamaya koymayı başardı. Bugün de yıldırıma karşı bir korunma aracı olarak kullanılan ve toprağa bağlı bir metal çubuktan başka bir şey olmayan paratonerin babası Franklin'dir. 1782 yılında Amerika'nın Philedelphia kentinde 400'den fazla konut paratoner kullanmaktaydı. Franklin'in atmosfer elektriği dışında önemli katkılarından biri de artı ve eksi elektrik kavramlarını ortaya atmış olmasıdır. Daha önce Dufay tarafından ortaya atılmış olan iki tür elektriğin varlığına ilişkin görüşten haberdar olmayan Franklin arkadaşı Kinnersley ile birlikte yaptığı çeşitli deneylerin sonucunda elektriğin belirli ortamlarda fazla veya eksik ölçülerde yer alabilen bir tür sıvı olduğu görüşüne vardı. Elektriğin fazla olarak yer aldığı veya eksik olarak yer aldığı iki cismin birbirlerini ittiği, cisimlerden birinde fazlalık diğerinde eksiklik olması durumunda da birbirlerini çektiği görüşünü öne sürdü. Fazlalığı artı elektrik, eksikliği ise eksi elektrik olarak adlandıran Franklin elektrik akışının her zaman dengeleyici bir biçimde fazladan eksiğe doğru yer alacağını ortaya attı. İçinde durağan elektrikle çalışan bir motoru da içeren çok sayıda deneysel çalışma yapan Benjamin Franklin, zamanının en saygıdeğer bilim adamları arasında yer almıştır. Coulomb ve Elektrikte Newton Mekaniği 18. yüzyılda herhangi bir dalın bilimsellik kazanabilmesi için Newton mekaniğinden pasaport alabilmesi gerekmekteydi. İşte Fransız fizikçisi Charles Augistin de Coulomb (1736-1802) elektriğin, bu pasaportu alabilmesine ve niceliklerin ölçülebildiği ve üzerinde matematiksel işlemlerin uygulanabildiği bir dal oluşturabilmesine önemli katkılarda bulunmuştur. Coulomb 1777 yılında denizcilikte kullanılacak üstün bir pusula yapmak amacına yönelik çalışmalarının ürünü olarak burulmalı tartı (torsion balance) adlı hassas bir ölçü aygıtı geliştirdi. Benzeri bir aygıt daha önce İngiliz jeologu John Michell (17241793) tarafından yerçekimi değişmezini (g) ölçmek amacı ile yapılmıştı. Michell'in bu buluşundan haberdar olmayan Coulomb geliştirdiği burulmalı tartı nedeni ile 1781 yılında Fransız Bilim Akademisi'ne seçildi. Burulmalı tartı ile yüklü iki metal kürenin veya iki mıknatıs kutbunun arasındaki itme veya çekme kuvveti hassas bir biçimde ölçülebiliyordu. Coulomb 1785 yılında burulmalı tartıyı kullanarak iki yük arasındaki itme veya çekme kuvvetinin yüklerin çarpımı ile doğru, aradaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğunu deneysel olarak göstermeyi başardı. Daha önce, 1760 yılında, magnetik kutuplar için Johann Tobias Mayer tarafından kanıtlanmış olan bu yasayı Coulomb'dan önce, çok içe dönük ve garip bir kişiliği olan İngiliz bilim adamı Henry Cavendish (1731-1820) Michell'in tartısını kullanarak bulmuştu. Yaşamı süresince bulgularını yayınlamayı önemsemeyen Cavendish'i bu sonuçlar ancak ölümünden yarım yüzyıl sonra Maxwell tarafından yayımlanmıştır. Bu nedenle bu önemli buluş bugün Coulomb yasası olarak bilinmektedir. Coulomb yasası, Newton'un yerçekimi yasasının elektriksel kardeşidir. Yerçekimi yasasına ek olarak elektrikte iki yük arasında itme kuvveti de yeralabilmektedir. Coulomb yasasının, elektriğin bir bilim dalı oluşturmasındaki katkısı onu 18. yüzyılın en önemli buluşu olarak nitelememiz için yeter bir nedendir. 18. Yüzyılda Elektrik 18. yüzyılda durağan elektrik konusunda önemli bir bilgi birikimi sağlanmıştı. Çoğunluğunu von Guericke'in makinası ve Leyden şişesi gibi ilginç oyuncaklar ile yapılan gözlemlerin oluşturduğu bu bilgilerin Franklin'in paratoneri dışında herhangi bir teknolojik uygulaması olmamıştır. 18. yüzyılda oluşan elektrik kültürü hakkında genel bir fikir sahibi olmak için 17681771 yılları arasında İskoçyalı Centilmenler Derneği tarafından yayımlanan Encyclopedia Britannica'nın ilk baskısında elektrik konusuna göz atmak yeter. Şöyle diyor: "Elektrik, genellikle, şimdiye dek tanımış olduğumuz sıvılardan çok farklı, oldukça ince bir sıvının etkilerini belirlemek üzere kullanılan bir sözcüktür. Bu sıvı hemen her cisim ile birleşebilmekte olup bazı özel cisimlerle daha da hızlı birleşebilmektedir. Hayret edilecek bir hızda kendine özgü birtakım yasalara göre hareket eden bu sıvı çok çeşitli olaylara neden olmaktadır. Bu yazıda bu olayların belli başlıları sıralanacaktır. Elektriksel sıvının özüne ilişkin bilgisizliğimizden dolayı, başta hafif cisimleri itebilme ve çekebilme gibi temel özelliklerini sıralamanın dışında bir tanım verilebilmesi olanaklı değildir..." 18. yüzyılın tersine 19. yüzyıl, elektrik ve magnetizmanın karşılıklı ilişkilerinin açığa kavuşarak elektromagnetik kuramın doğduğu ve çok önemli teknolojik gelişmelerin yer aldığı bir çağdır. Ancak bu gelişmelerin temelinde 18. yüzyılın sonu ile 19. yüzyılın başlangıcı arasında yer alan önemli bir başka buluş yatmaktadır. Bu buluş kimyasal enerjiyi elektriksel enerjiye dönüştürecek sürekli bir akım elde edilebilmesini gerçekleştiren pildir. Galvani, Volta ve Pil Pilin öyküsü ilginç bir rastlantının doğurduğu olaylarla başlar. Bu rastlantının kahramanı bir anatomist olan Bolonya Üniversitesi profesörlerinden Luigi Galvani (1737-1798)'dir. 1780 yılında Galvani laboratuvarında bir kurağayı kesip biçerken laboratuvarın içinde başka bir amaç için kullanılmakta olan bir elektrik makinasından çıkan kıvılcımla beraber ölü kurbağanın bacağının büzüldüğünü gördü. Galvani olay sırasında kullandığı bıçağın ucunun kurbağanın sinir merkezine değmekte olduğunu da gözlemişti. Bu gözlem Luigi Galvani'nin ilgisini çekti ve olayı yorumlayabilmek amacı ile çeşitli deneyler yaptı. Demir bir ray üzerine geçirilmiş çengellere astığı kurbağaların elektrikli havalarda, aynen laboratuvarda olduğu gibi, bacaklarının büzüldüğünü gözledi. Daha sonra bu büzülme olayının elektrik makinası ve atmosfer elektriğinden bağımsız olarak kurbağa bacağının demir raya değdirilmesi ile de yer alabildiğini gözleyen Galvani bu gözlemlerinden hayvansal elektrik diye adlandırdığı yeni bir tür elektrik bulduğu sonucuna vardı. Galvani'nin deneysel gözlemleri kısa bir süre içinde Avrupa'daki ilgili çevrelere yayıldı ve çeşitli kuruluşlarda konu ile ilgili çalışmalar başladı. İtalya'daki Pavia Üniversitesi profesörlerinden Alessandro Volta (1745-1827), olayı Galvani'den farklı bir biçimde yorumluyordu. Volta'ya göre oluşan elektriğin kaynağı hayvan-yani kurbağa değil-, ona değdirilen metal parçalarıydı. Galvani ile Volta arasındaki bu görüş ayrılığı kısa süre sonra kamplaşmaların yer aldığı bir bilimsel çatışma niteliğini aldı. Örneğin Alman doğabilimcisi von Humboldt bu kamplaşmada Galvani'ci, Fransız bilim adamı Coulomb ise Volta'cı olarak yer almaktaydı. İki görüşün de geçerli yönleri olduğu bu tartışma, Volta'nın 1800 yılında ünlü İngiliz bilim kuruluşu Royal Society'ye yazdığı yazıda, iki nemli bez arasına nemli bez veya tuz karışımlı sıvı koyarak elektrik akımı elde etmiş olduğunu bildirmesi üzerine Volta'nın lehine bir biçimde son buldu. Bu çatışmadan büyük ölçüde yıpranan Galvani sonucu göremeden ve mutsuz olarak öldü. Yine de Galvani'nin adı bugün elektrikte galvanometre, metalurjide galvanize demir gibi sürekli elektrik akımı ile ilişkili yerlerde kullanılarak onurlandırılmıştır. Volta daha sonra buluşunu birbirlerinden tuz karışımında nemlendirilmiş kartonlar ile ayrılmış ince bakır ve çinko levhaları üstüste koyarak geliştirdiği pil*** ile daha yaygın ve kolaylıkla uygulanabilecek bir aşamaya getirdi. Volta pili kısa bir süre içinde, özellikle kimya dalında, önemli gelişmelere yol açtı. İngiliz bilim adamı Humpry Davy (1778-1829) 1807 yılında özel olarak imal edilmiş güçlü bir Volta pilini kullanarak geçirdiği elektrik akımı ile erimiş külden potasyum olarak adlandırdığı elemanı elde etti ve bir hafta sonra da sodyum elemanını sodadan ayırmayı başardı. Böylece elektrokimya dalında büyük adımların atılabilmesi sürekli elektrik akımı üretebilen bir kaynağın varlığı ile gerçekleşmeye başlamış oldu. Magnetizmaya Dönüş: Oersted'in Deneyleri Sürekli elektrik akımı üretebilen bir kaynağın geliştirilmiş olması yüzyıllar boyu elektrik tarihinin en temel sorusunun, elektrik ile magnetizma arasındaki ilişkinin yanıtlanabilmesi için son engelin de ortadan kalkmasına neden oldu. Artık bu konuda çakması gereken ilk kıvılcım, bilim tarihinde sık karşılaşılan o beklenen "rastlantı" an meselesiydi. Bu rastlantının piyangosu Kopenhag Üniversitesi'nde doğa felsefesi profesörü olan Hans Christian Oersted (1775-1851)'e vurdu. Oersted,1819 yılında, öğrencilerine elektrik akımından ısı elde edilmesini göstermek amacı ile Volta pili kullanarak hazırladığı deneyi uygularken önemli bir olay dikkatini çekti. Kullandığı elektrik devresinin açılma ve kapanma anlarında yakındaki bir mıknatıslı pusulanın iğnesi sapmaktaydı. Aynı olayı daha güçlü piller kullanarak gözlediği zaman pusuladaki sapmanın, pusula ile telin oluşturduğu düzleme dik olduğunu gördü. Oersted konu ile ilgili daha birçok deney yaparak, bir mıknatısın yanından geçen ve serbestçe hareket edebilen bir telin içinden akım geçirilmesi ile akımın yönüne göre telin mıknatıs tarafından itildiğini veya çekildiğini gözledi. Oersted yaptığı deneylerin sonuçlarını 21 Temmuz 1820 yılında latince olarak yayınladı. Oersted'in buluşlarının ozamanki bilim dünyasındaki yankıları en az von Guericke'nin elektrik makinası veya von Kleist'in Leyden şişesi kadar etkili oldu. Oersted deneyleri tüm bilim adamlarınca tekrarlanmaya başladı ve kısa bir süre içinde yer alan gelişmeler buluşun sahibini aştı. Tarihsel görevini yapmış olan Oersted'in bundan sonraki gelişmelerde herhangi bir rolü olmadı. Oersted'in deneyleri, başta Coulomb olmak üzere birçok bilim adamının elektrik ile magnetizma arasında bir ilişki olmadığı görüşünü benimseyen tezlerini bir daha gündeme gelmemek üzere çürütmeye yetmişti. Ampere ve OHM Oersted'in buluşlarını yayınlamasından bir hafta sonra Fransız matematikçisi ve fizikçisi Andre Marie Ampere (1775-1836) mıknatıslı pusulanın sapma yönünün sağ el vida kuralına göre belirleneceğini gösterdi. Bu kurala göre sağ elin başparmağı telin içinden geçen akımın yönünü, diğer parmaklar ise mıknatısın kuzey kutbu üzerine uygulanan kuvvetin yönünü göstermekteydi. Kuralın uygulanabilmesi için kuşkusuz akım yönünün tanımlanması da gerekmekteydi. Ampere, daha önce Franklin'in elektriksel sıvının fazlalık yarattığı yerden -ki bu da artı kutup olarak tanımlanmıştıeksiklik olan yere, yani eksi kutba doğru aktığı görüşünü benimseyerek bugüne dek süregelen ve gerçek elektron akışına ters olan "akımın artıdan eksiye akması" geleneğini kurmuş oldu. Kendi deyimi ile elektrodinamiğin kurucusu olan Ampere'i elektrik tarihine geçen en önemli bulgusu içinden akım geçen iki paralel telin birbirlerini, aynen iki magnetik kutup gibi, itmesi veya çekmesidir. Bunun yanısıra kapalı bir devre içinde akan akımın oluşturduğu magnetik alanı inceleyen Ampere, helis biçiminde sarılmış bir telin (sarmal bobin) bir mıknatısın gösterdiği özelliklere sahip olduğunu gösterdi. Aynı zamanlarda, Ampere'den bağımsız olarak, Fransız fizikçisi Dominique François Arago (1786-1853) tarafından da ortaya atılmış olan bir buluş sonraları Sturgeon ve Henry gibi deneycilerin katkısı ile geliştirilerek dinamo ve telgraf gibi önemli teknolojik uygulamalara yol açmıştır. Elektrik tarihinde adı en çok geçen kişilerden biri Georg Simon Ohm (1787-1854)'dur. Ohm, iletkenlerden geçen elektrik akımına ilişkin çalışmalarına 1825 yılında başladı ve sonuçlarını 1827 yılında yayımladı. Fransız bilim adamı Fourier'in ısı akışı üzerine yaptığı çalışmalardan esinlenen Ohm, bir tele uygulanan gerilimin telden geçen akıma olan oranının değişmez olduğunu bulmuştu. Bugün Ohm yasası olarak bilinen ve de evrensel yazılımı V= IR olan bu yasayı Ohm yayımladığında pek çok kimse bir şey anlamamıştı. Bilim dünyasından fazla bir ilgi görmeyen Ohm istediği üniversite profesörlüğünü elde edemediği gibi lise hocalığından da olmuştu. Özlemini çektiği anlayış ve ünü Almanya dışına çıktıktan sonra fazlası ile elde eden Ohm yaşamının ancak son beş yılını Münih Üniversitesi'nde profesörlüğe atanarak huzur içinde geçirebildi. Ünlü yasası dışında Ohm'un elektriğe başka önemli bir katkısı olmamıştır. 19. Yüzyılın İki Büyük Bilim Adamı: Faraday ve Maxwell 19. yüzyıl özellikle elektrik dalında büyük katkılarda bulunmuş iki büyük bilim adamı yetiştirmiştir. Bunlar tam anlamı ile deneyci bir bilim adamı olan Michael Faraday (1791-1876) ile elektromagnetik kuramıın kurucusu olan James Clerk Maxwell (18211879)'dir. On çocuklu bir demirci ailesinden gelen Faraday, okuma yazma öğrenmenin ötesine geçmeyen bir eğitimden sonra bir ciltçinin yanında çırak olarak çalışmaya başladı. Çalıştığı işte kitaplarla haşır neşir olabilme fırsatını bulan Faraday, elektrik ve kimya konularındaki bilgisini çıraklık yaptığı süre içinde okuduğu kitaplardan edindi. 1812 yılında dükkana gelen bir müşterinin verdiği davetiye ile, o zaman önemli bir üne sahip olan Humphry Davy'nin konferanslarını izleme fırsatını buldu. Bu konferanslarda tuttuğu notları ciltleyip Davy'ye yollayınca, Davy bundan çok etkilendi ve Faraday'ı yanına asistan olarak aldı. Bir süre sonra Davy ile beraber Avrupa turuna çıkıp Volta, Ampere, Arago, Gay-Lussac, Biot, Humboldt gibi o zamanın ünlü bilim adamlarını tanıyabilmek fırsatını buldu. Avrupa yolculuğu sırasında Faraday'ı en çok huzursuz eden olay Davy'nin karısının kendisine aşağılayıcı bir biçimde uşak muamelesi etmesi olmuştu. Yavaş yavaş Faraday'ın Davy'den daha yetenekli yönlerinin ortaya çıkması da Davy'yi huzursuz etmekteydi. Davy'nin kıskançlığı iki adamın aralarını açtı ve bir süre sonra Faraday ayrılarak bağımsız çalışmaya başladı. Ayrılıştan sonra Davy her fırsatta Faraday'a karşı insafsız kıskançlık saldırılarını sürdürmekten kendini alamamıştır. 1820 yılında, daha Faraday Davy ile beraber çalışırken, Oersted'in yayımladığı sonuçları Davy laboratuvara getirmişti. O sıralarda paslanmaz çelik ve kimya üzerinde çeşitli araştırmalar yapan Faraday Oersted'in sonuçlarına karşı büyük ilgi duydu ve bu konuda çalışmalara başlayarak ilk buluşunu 1821 yılında yaptı. İçinden akım geçen bir telin magnetik kutup etrafında döndüğünü ve de tersine mıknatıslanmış bir iğnenin, içinden akım geçen bir telin etrafında döndüğünü gösterdi. 1821 yılında karısına bir Noel sürprizi olarak içinden akım geçen bir telin dünyanın magnetik alanı etkisi ile döndüğünü gösteren deneyi hazırladı. Faraday 1822 yılında defterine şu sözleri yazmıştı: "Magnetizmayı elektriğe dönüştür"**** Gerçekten de Oersted'den beri elektrik akımının magnetik bir alan oluşturduğu biliniyor ancak bunun tersi, yani magnetik alandan nasıl elektrik elde edileceği bilinmiyordu. 1824 yılında Fransız fizikçisi Arago ilginç bir gözlemde bulunmuştu. Bakır bir yuva içine oturtulmuş hassas bir mıknatıslı pusula yuvasından çıkartılınca uzun bir süre titreşimlere giriyordu. Oysa aynı pusula bakır yuvası içindeyken gözlenen titreşimlerin süresi ve genliği daha düşüktü. Arago bu gözlemden kalkarak mıknatıslı bir iğnenin altına bir bakır disk yerleştirdi ve diskin döndürülmesi ile iğnenin de döndüğünü gördü. Faraday ve birçok bilim adamı bu olaylardan haberdar olmakla birlikte bir açıklamasını veremiyorlardı. 1831 yılında Faraday magnetizmadan elektrik elde etmek amacı ile çalışmalarına başladı. İlk deney düzeneği tahta bir makara üzerine sarılmış ve birbirlerinden patiska ile yalıtılmış 12 ayrı tel sargıdan oluşuyordu. Çift sayılı ve tek sayılı sargıları kendi aralarında birbirlerine seri olarak bağlayarak bu devrelerden birini doğru akım bataryasına öbürünü de akımı ölçebilmek için galvanometreye bağladı. Ancak bataryalı devreden geçen akımın öbür devredeki galvanometreyi saptırmadığını gördü. Yüz gözden oluşan daha güçlü bir batarya ile aynı deneyi tekrarladığında devrenin açılıp kapanma anlarında galvanometrede zayıf da olsa geçici bir sapma gözledi. Faraday'ın bundan sonra yaptığı deney magnetizmadan elektriğin elde edilebileceğini kesin bir biçimde kanıtlayan ünlü tarihsel deney olarak bilinir. Yaklaşık 2 cm kalınlığındaki bir yumuşak demir çubuktan yapılmış 15 cm çapındaki bir halkanın kullanıldığı deneyde birbirlerine ve bataryaya seri olarak bağlanmış üç sargı ile; iki ucu galvanometreye bağlanmış 1.25 mm çapında 20 metre uzunluğundaki bakır telden oluşan diğer bir sargı yeralmaktaydı. Faraday bataryalı devrenin açılma ve kapanma anlarında galvanometrede birbirine ters yönlerde büyük sapmalar gözledi. Hemen bunu izleyen deneyde ise Faraday bataryalı devre yerine güçlü bir mıknatıs kullandı. Demir çubuğa sarılmış bir telden, mıknatısın çubuğa yaklaştırılıp uzaklaştırılması ile akım geçebildiğini gören Faraday, yüzyıllardır açıklanamamış olan magnetizma-elektrik ilişkisini böylece açığa çıkarmış oluyordu. Faraday artık o zamana kadar açıklanmış olan Arago deneyinin sonuçlarını da açıklayabilmekteydi. Bu deneyde mıknatıslı göstergenin oluşturduğu magnetik alan bakır diskte bir elektrik akımı indüklüyor ve indüklenen akım da ters yönde bir magnetik alan oluşturarak göstergenin titreşimlerini söndürüyordu. Faraday'ın bir başka ilginç deneyi sürekli bir akımın elde edilebildiği bir elektrik generatörüydü. Bir mıknatısın kutupları arasında döndürülen bakır bir diskin ekseni ile çeperi arasından kayan kontaklar aracılığı ile sürekli akım elde edilebileceğini göstermişti. Faraday yukarıda sözü edilen deneylerin yanısıra daha birçok deneyi 1831 yılının Ekim ve Kasım ayları içinde tamamlamıştı. Vardığı sonuçları 24 kasım 1831'de Royal Society'nin bir toplantısında "Elektrikte Deneysel Araştırmalar" başlığı altında sundu. İlginç bir rastlantı olarak, bugün Faraday yasası olarak bilinen ve ? = magnetik akı, e= indüklenen gerilim olarak gösterilen endüksiyon ilkesini Amerikalı bilim adamı Joseph Henry, Faraday'dan bir yıl kadar önce bulmuştu. Ancak Faraday'ın tersine yaptığı çalışmaları düzenli bir biçimde yazma alışkanlığına sahip olmayan ve Albany Akademisi'ndeki ağır öğretim yükü nedeni ile bilimsel çalışmalarını genellikle tatil ayı olan Ağustos ayına sıkıştıran Henry'nin, Faraday'ın "Elektrikte Deneysel araştırmalar" adlı yazısında sunduğu sonuçları öğrenince içinin burkulduğunu tahmin etmek zor olmasa gerek. Faraday elektriğin yanısıra kimya dalına da önemli katkılarda bulunmuş bir bilim adamıdır. Elektrokimyanın babası olarak tanınan Faraday bugün elektroliz yasaları diye bilinen yasaların bulucusudur. Ayrıca elektroliz, elektrot, anot, katot gibi sözcükleri ilk ortaya atan da Faraday olmuştur. Dindar bir kişi olan ve son derece mütevazi bir yaşam içinde mutlu bir evliliği ömrü boyunca sürdüren Faraday'ın dindarlığından gelen ilkelerine sadık bir kişiliği vardı. 1850 yıllarında, İngiltere, Rusya ile Kırım'da harp halindeyken, İngiliz hükümeti harpte kullanılabilecek bir zehirli gaz geliştirmesi için Faraday'a başvurmuştu. Faraday'ın yanıtı kesindi. Böyle bir gazın geliştirilmesi mümkün olmakla beraber kendisinin bu tür bir araştırmada yer alması kesinlikle sözkonusu olamazdı. Dindarlığı ve mutlu bir evlilik sürdürmesi yönünden Faraday'a benzeyen İskoçyalı matematikçi ve fizikçi James Clerk Maxwell tanınmış bir ailenin tek çocuğuydu. Maxwell'in bilim dünyasına en büyük armağanı, geçmişteki deneysel buluşları özümleyen, geleceğin deneysel bulgularına da ışık tuta ünlü elektomagnetik kuramıdır. Maxwell, Faraday'ın imgelemiş olduğu magnetik alan ve kuvvet çizgilerinden kalkarak tüm elektrik ve magnetik olayları ve aralarındaki ilişkileri tek ve gerçekten sağlam bir matematiksel temele oturtan elektomagnetik kuramını 18641873 yıları arasında tamamlamıştır. Elektrik ve magnetik olayların iç içe varolma özelliğini ve bu özelliğin uyduğu yasaları son derece basit görünen birkaç denklem ile özümleyen Maxwell ışığın da bir elektomagnetik dalga olarak yorumlanması gereğini ortaya atmıştır. Titreşmekte olan bir elektrik yükünün dışa doğru değişmez bir hızda yayılan bir elektomagnetik alan oluşturacağını gösteren Maxwell dalganın yayılma hızını elektrik ve magnetik birimler arasındaki bağıntıdan sanayide yaklaşık olarak 300.000 km olarak hesapladı. Maxwell bu hızın ışığın hızına eşit olmasının bir rastlantı olamayacağını düşünerek, ışığın da bir elektromagnetik dalga olduğu görüşünü benimsedi. Maxwell'in zamanında gözle görünen ışığı üretecek hızda titreşen elektrik yükü elde etmek olanağı yoktu. Bu nedenle bu görüşün deneysel olarak doğrulanabilmesi ancak 19. yüzyılın sonuna doğru gerçekleşmiştir. Maxwell'in sezgileri bazı yönlerden, geliştirdiği elektomagnetik kuramın gerisinde kalmıştır. Örneğin elektromagnetik dalgaların boşluktaki -Einstein'a dek fizikte çok kullanılan bir kavram olan- eter aracılığıyla yayıldığı ve alan ve kuvvet çizgilerinin eterin değişik biçimler almasından başka bir şey olmadığı görüşünü savunmaktaydı. Böylece birbirinden uzak iki cismin birbirlerini itip çekmesi, "uzaktan etkileme" yerine eter aracılığı ile "değerek etkileme" ilkesine indirgenmiş oluyordu. Elektriğin parçacıklardan oluştuğu -ki Faraday'ın elektroliz yasaları bu görüşü destekler nitelikteydi- görüşünü de kabul etmeyen Maxwell'in elektomagnetik kuramı bu sezgilerinden arınmıştı. Öylesine arınmıştı ki 20. yüzyılın başında Albert Einstein klasik fiziğin -veya Newton fziğinin- tüm ilkelerini alt üst eden yepyeni bir kuram ortaya attığı zaman Maxwell'in denklemleri geçerliliğinden en ufak bir şey kaybetmemişti. 19. yüzyılda elektomagnetik dalında Oersted ile başlayan bilimsel gelişmeler Maxwell ile doruğuna erişmiştir. Bundan sonra yer alan gelişmeler Röntgen ışınlarının bulunması ile başlayan ve atom fiziği ve elektronik dallarında büyük aşamalara yol açan gelişmelerdir. Elektrik ve Magnetik Niceliklerin Birimleri Elektriğin bir bilim dalı olmasında Coulomb yasasının önemine daha önce değinmiştik. 19. yüzyılın ilk yarısına dek elektrik ve magnetizma konularında ortaya konmuş yasaları çizelge 1'de özetledik. Elektrik ve magnetizmanın matematiksel bir bilim dalı olabilmesi için fiziksel niceliklerin birimlerinin tanımlanması gerekiyordu. Bu konuyu ilk kez ciddi bir biçimde ele alan kişiler ünlü matematikçi Karl Friedrich Gauss (17771855) ve Wilhelm Weber (1804-1891) olmuştur. Gauss 1832 yılında milimetre, miligram ve saniye birimlerinden kalkarak bir magnetik birim sistemi geliştirdi. 1839 yılında Gauss bir noktadaki elektik potansiyelini "birim yükün sonsuzdan o noktaya getirilebilmesi için yapılması gereken iş" olarak tanımladı. 1840'tan sonra Weber, Gauss'un başlamış olduğu işi, elektriksel birimleri de tanımlayarak, tamamlamış oldu. Bundan sonra çeşitli zamanlarda toplanan uluslar arası kongrelerde hangi birim sisteminin en yararlı olduğu konusu uzun uzun tartışılmıştır. Birçok nedenden dolayı arap saçına dönmüş olan bu konunun tarihini ve de bugününü önemli bir ilke yeniliği getirilmemiş olması nedeni ile daha fazla tartışmaya gerek görmedik. sürecek *Bu yazı Elektrik Mühendisliği Dergisi'nin Temmuz-Ağustos 1978, 259-260 sayısında yayınlanmıştır. O tarihte ODTÜ'de Yrd. Doç. olarak görev yapmakta olan Kemal İnan, Elektrik Mühendisliği Dergisi yayın kurulunda yeralmaktaydı. **resinous=reçinalı=çam sakızlı ***İngilizcede "pile" sözcüğünün Türkçe karşılığı "yığın" veya "küme" olarak verilmektedir. "Pile" sözcüğü İngilizcede kartonlarla ayrılmış çinko veya bakır levhaların oluşturduğu "yığın" yani Volta'nın geliştirdiği pil (Voltaic Pile) için kulanılmaktadır. Bu nedenle pil sözcüğünün gerçek Türkçe karşılığı "yığın" veya "küme" olmak gerekir. ****Faraday, yaşamı boyunca tüm çalışmalarını gayet düzenli bir biçimde defterine not ederdi. Öldükten sonra bu notlar 7 cilt olarak yayımlanmıştır. TMMOB-EMO DERGİ- SAYI 412’den alınmıştır.
